【技術(shù)分享】汽車輪轂用改性鎂合金鍛造工藝

以應(yīng)用于汽車輪轂的改性鎂合金AZ80-0. 5V-0. 1Ti為例，通過(guò)模擬計(jì)算和試驗(yàn)的方法，研究了成形溫度、模具工作速度、下模窗口處圓角半徑等工藝參數(shù)對(duì)鎂合金輪轂鍛造的影響，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，獲得了優(yōu)良的鎂合金輪轂鍛造工藝參數(shù)。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真計(jì)算的有效性，其結(jié)果表明: 坯料溫度＜370℃時(shí)，鍛造鎂合金輪輞處產(chǎn)生開裂，坯料溫度＞390℃時(shí)，窗口部位出現(xiàn)裂紋; 模具工作速度為5～7mm·s－1時(shí)，鎂合金輪轂鍛造成形質(zhì)量較好; 下模窗口處圓角半徑為20mm時(shí)，鎂合金輪轂質(zhì)量較好。其方法和思路可為汽車輪轂及相似產(chǎn)品的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供一定的參考和借鑒。
 

關(guān)鍵詞：鎂合金；鍛造工藝；輪轂?zāi)＞?；坯料溫度；汽車輪?br />  

鎂合金是金屬結(jié)構(gòu)材料中較輕的金屬，被譽(yù)為21世紀(jì)的綠色工程結(jié)構(gòu)材料，其質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、彈性模量低、加工性能優(yōu)、可回收以及具有優(yōu)異的減震性能等特點(diǎn)，目前已被應(yīng)用在汽車零部件上［1 － 3］。汽車輪轂作為汽車上最重要的部件之一，要求其質(zhì)量輕，同時(shí)其受載復(fù)雜，包括行駛過(guò)程中的垂直壓力，車輛在起動(dòng)、制動(dòng)時(shí)動(dòng)態(tài)扭矩的作用以及車輛在行駛過(guò)程中轉(zhuǎn)彎等動(dòng)態(tài)載荷［4 － 6］。為此，將鎂合金材料引入汽車輪轂是一可行趨勢(shì)。本文以改型鎂合金材料AZ80-0. 5V-0. 1Ti作為研究對(duì)象，對(duì)其鍛造加工工藝參數(shù)進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)研究，為鎂合金應(yīng)用于輪轂的工藝設(shè)計(jì)提供了參考。

鎂合金汽車輪轂結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)特點(diǎn)

 輪轂結(jié)構(gòu)

汽車輪轂由輪輻、輪緣、輪輞等構(gòu)成，作為重要的車輛零部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足功能性、工藝性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等要求，并具有一定的剛度、強(qiáng)度及較長(zhǎng)的疲勞壽命等［7－8］。圖1為汽車輪轂示意圖。

 

圖1 鎂合金汽車輪轂

鎂合金輪轂鍛造的特點(diǎn)

鎂合金輪轂主要有鍛造和鑄造兩種生產(chǎn)方式，且兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。本文以某型汽車輪轂作為研究對(duì)象，其輪轂的三維模型如圖2所示，輪轂包含10個(gè)窗口，以及輪輻、輪輞等主要部分，窗口處有一個(gè)溝槽與冒口相連。從外觀上看，輪轂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本文采用鍛造、配合銑削加工進(jìn)行生產(chǎn)工藝研究。

 

圖2 輪轂三維俯視圖

鎂合金輪轂的優(yōu)勢(shì)明顯，但是其缺點(diǎn)也比較明顯，主要包括以下幾條：(1) 熔煉過(guò)程中鎂合金燒損嚴(yán)重，同時(shí)易產(chǎn)生金屬夾雜和非金屬夾雜；(2)鎂合金極易氧化，表面防護(hù)困難；(3) 深加工性較差；(4) 熔煉過(guò)程的環(huán)境污染［9 － 10］。針對(duì)以上鍛造缺點(diǎn)，本文選擇優(yōu)良的鎂合金材料，進(jìn)行相應(yīng)的工藝研究。

鎂合金輪轂鍛造

改性鎂合金AZ80-0. 5V-0. 1Ti的相關(guān)性能

本文研究采用改性鎂合金AZ80-0. 5V-0. 1Ti(其中，A 代表金屬鋁，Z代表金屬鋅，8代表鋁含量為8%，0代表鋅含量小于1%，0. 5V代表釩含量為0. 5%，0. 1Ti代表鈦含量為0. 1%)，其密度約為1. 84 g·cm－3，約為鋁的2/3，是比鋁更輕量化的輕質(zhì)材料。該鎂合金的彈性模量只有45GPa，在外力作用下可以很好地避免構(gòu)件應(yīng)力集中，經(jīng)壓力鑄造后再加工所得部件的比強(qiáng)度高，且耐腐蝕性較純鎂有大幅提高。目前，影響鎂合金大規(guī)模應(yīng)用的因素之一就是其耐腐蝕性差，鎂合金AZ80-0. 5V-0. 1Ti基本上消除了該缺點(diǎn)，特別是釩、鈦元素可以有效地控制鎂合金中碳化物的增加，并細(xì)化晶粒，提高鎂合金的韌性、沖擊性能和耐磨損性能，能夠在汽車零部件制作上廣泛應(yīng)用［11 － 12］。

鎂合金鍛造應(yīng)力模擬分析

本文選用ANSYS軟件，首先對(duì)輪轂鍛造過(guò)程及鍛造參數(shù)進(jìn)行仿真模擬，然后根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行工藝參數(shù)比對(duì)。從圖2可以看出，輪轂結(jié)構(gòu)滿足軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為此本文選取對(duì)稱部分進(jìn)行建模。AZ80-0. 5V-0. 1Ti鎂合金仿真的材料模型參數(shù)如表1所示。

表1 AZ80-0. 5V-0. 1Ti鎂合金的相關(guān)性能參數(shù)

 

鎂合金輪轂在鍛造各階段的受力情況、變形過(guò)程及規(guī)律是隨著鍛造過(guò)程不斷變化的。圖3a為鍛造初期的應(yīng)力云圖，可以看出：窗口處的應(yīng)力較大，為主要變形區(qū)域，此區(qū)域窗口( 圖3a中A區(qū)域) 的圓角處是其與輪輞、輪緣的過(guò)渡區(qū)域，在鍛造過(guò)程中極易產(chǎn)生缺陷; 其余區(qū)域應(yīng)力值較小，在42MPa以下，遠(yuǎn)低于常溫下的材料屈服強(qiáng)度，因此，在鍛造過(guò)程中不易產(chǎn)生鍛造缺陷。圖3b為鍛造后期的應(yīng)力云圖，隨著鍛造上模向下運(yùn)動(dòng)，窗口圓角處和輪輻側(cè)壁圓角區(qū)域的應(yīng)力比較集中，輪轂成形后此區(qū)域應(yīng)力最大，極易產(chǎn)生鍛造缺陷。

 

圖3 輪轂鍛造過(guò)程中的應(yīng)力分布情況

(a) 鍛造初期(b) 鍛造后期

工藝參數(shù)對(duì)鎂合金輪轂鍛造的影響的模擬分析

成形溫度的影響

成形溫度是鎂合金輪轂鍛造的重要參數(shù)之一，因鎂合金的伸長(zhǎng)率與溫度有關(guān)，溫度升高，鎂合金塑性提高，有利于鎂合金的輪轂鍛造; 但是，溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致腐蝕氧化，晶粒粗大，增大變形抗力。模擬工藝參數(shù)設(shè)定如下: 下模窗口處圓角半徑為30mm，模具工作速度為6mm·s－1，摩擦系數(shù)為0. 1，成形溫度分別為350，370，390 和410 ℃。仿真結(jié)果如圖4所示。

 

圖4 成形溫度對(duì)變形抗力的影響

鍛件變形抗力與成形溫度關(guān)系較大，成形溫度的適當(dāng)增加使得鎂合金的塑性變形能力提高，有利于金屬流動(dòng)，變形抗力下降。但是，隨成形溫度進(jìn)一步升高，鎂合金內(nèi)部氧化，導(dǎo)致塑性降低、變形抗力上升。因此，成形溫度宜選擇在370～390 ℃之間。

模具工作速度對(duì)變形抗力的影響

材料的變形速度一般情況下體現(xiàn)在模具的工作速度上，本文在不同的模具工作速度下進(jìn)行仿真計(jì)算。其模擬參數(shù)設(shè)定如下: 成形溫度為380℃，摩擦系數(shù)為0. 1，下模窗口處圓角半徑為30mm，模具工作速度分別為5，7和9mm·s－1。仿真結(jié)果如圖5所示。

 

圖5 模具工作速度對(duì)變形抗力的影響

模具工作速度的增大，導(dǎo)致變形抗力增加。因此，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況和工作效率，量減小模具工作速度，工作速度宜選擇在5～7mm·s－1之間。

下模窗口處圓角半徑對(duì)鎂合金輪轂鍛造的影響

為研究下模窗口( 圖6a中的B區(qū)域) 圓角半徑對(duì)鎂合金輪轂鍛造的影響，選擇不同下模窗口處圓角半徑進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)合模型的實(shí)際生產(chǎn)加工和重量要求等情況，其模擬模型參數(shù)設(shè)定如下：成形溫度為380℃，模具工作速度為6mm·s－1，摩擦系數(shù)為0. 1，下模窗口處圓角半徑分別為12，16和20mm。模擬結(jié)果如圖6所示。

 

圖6 下模窗口處圓角半徑對(duì)鎂合金輪轂鍛造的影響(仿真結(jié)果)

(a) Ｒ12mm (b) Ｒ16mm (c) Ｒ20mm

從圖6可以看出：下模窗口處圓角半徑為12mm時(shí)，圓角處出現(xiàn)嚴(yán)重的橫向折疊；圓角半徑為16mm時(shí)，折疊現(xiàn)象減少；圓角半徑為20mm時(shí)，折疊現(xiàn)象基本消失。這是因?yàn)閳A角半徑的增大，使得金屬液流動(dòng)阻力減小，充型順暢，同時(shí)減小了此處的應(yīng)力集中情況。

鎂合金輪轂鍛造試驗(yàn)

鍛造模具

本文依照模擬試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合該型輪轂的實(shí)際鍛造生產(chǎn)，設(shè)計(jì)的鍛造模具如圖7所示。

 

圖7 鍛造模具裝配示意圖

1. 上模座2. 上模芯3. 上頂料器4. 下模座5. 下模6. 下頂料器7. 模板8. 承壓板9. 連接螺栓

成形溫度對(duì)鎂合金輪轂鍛造的影響

進(jìn)一步對(duì)該型輪轂進(jìn)行鍛造試驗(yàn)，其試驗(yàn)成形溫度T在350～ 410℃之間，試驗(yàn)結(jié)果如下：T＜370℃時(shí)，塑性變形能力差，輪輞處出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，見(jiàn)圖8a；T＞390℃時(shí)，窗口部位出現(xiàn)疊狀的裂紋，見(jiàn)圖8b；T在370～390℃時(shí)，鍛件外觀質(zhì)量較好，沒(méi)有開裂或疊狀缺陷，見(jiàn)圖8c。試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本保持一致。

 

圖8 成形溫度對(duì)鎂合金輪轂鍛造的影響

(a) T＜ 370℃ (b)T ＞ 390℃ (c) 370℃ ＜T＜ 390℃

模具工作速度對(duì)鎂合金輪轂鍛造的影響

模具工作速度分別為5，7和9mm·s－1，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。工作速度為5和7mm·s－1時(shí)，質(zhì)量良好，如圖9a和圖9b所示；工作速度為9mm·s－1時(shí)，缺陷出現(xiàn)在窗口區(qū)域，如圖9c所示。試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。

 

圖9 模具工作速度對(duì)鎂合金輪轂鍛造的影響

(a) 5mm·s－1 (b) 7mm·s－1 (c) 9mm·s－1

下模窗口處圓角半徑對(duì)鎂合金輪轂鍛造的影響

從試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性和有效性等方面考慮，借鑒仿真分析結(jié)果，其下模窗口處圓角半徑分別選擇16和20mm兩種進(jìn)行試驗(yàn)。圓角半徑為16mm時(shí)，鎂合金輪轂窗口處出現(xiàn)疊裝缺陷，如圖10a所示；圓角半徑增加至20mm時(shí)，鎂合金鍛造輪轂窗口處成形良好，沒(méi)有出現(xiàn)折疊現(xiàn)象， 如圖10b所示。

 

圖10 下模窗口處圓角半徑對(duì)鎂合金輪轂鍛造的影響(試驗(yàn)結(jié)果)

(a) Ｒ16mm (b) Ｒ20mm

結(jié)語(yǔ)

(1) 坯料溫度＜370℃時(shí)，鍛造鎂合金輪輞處產(chǎn)生開裂。坯料溫度＞390℃時(shí)，窗口部位出現(xiàn)裂紋。

(2) 模具工作速度為5～7mm·s－1時(shí)，鎂合金輪轂鍛造成形質(zhì)量較好。工作速度超過(guò)9mm·s－1時(shí)，變形抗力增加，輪轂窗口部位容易產(chǎn)生裂紋或折疊缺陷。

(3) 下模圓角半徑≤16mm時(shí)，鍛造輪轂窗口處出現(xiàn)疊裝缺陷；下模圓角半徑為20mm時(shí)，鎂合金輪轂質(zhì)量較好。

(4) 本文試驗(yàn)結(jié)果可以應(yīng)用于鎂合金輪轂鍛造生產(chǎn)中，同時(shí)試驗(yàn)結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果的相互吻合，表明采用數(shù)值模擬計(jì)算軟件是切實(shí)可靠的，為以后其他類似研究提供了參考。

本文來(lái)自：期刊《鍛壓技術(shù)》

作者：郝孟軍，宮濤，代艷霞